MEDIDAS EM MICROONDAS - USP · 2017. 8. 14. · Matriz de Impedância [Z] PSI3483 - Ondas...
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MEDIDAS EM MICRO-ONDAS
- Matriz de Impedância e Matriz de Admitância - Matriz de Espalhamento - Medida de Matriz de Espalhamento
- Medidas “on chip” Profa. Dra. Fatima Salete Correra
1
-
Matriz de Impedância e
Matriz de Admitância
2
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Rede arbitrária de micro-ondas
3 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
No plano tn da porta N, tem-se ◦ Vn
+, In+ tensão e corrente incidentes
◦ Vn-, In
- tensão e corrente incidentes
Tensão total: Vn = Vn+ + Vn
- Corrente total: In = In+ - In
- ◦
Rede com N “portas” ou “acessos”
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Matriz de Impedância [Z]
4 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
Relaciona as tensões com as correntes nos acessos da rede
Em forma matricial
[V ] vetor das tensões Vi , com i de 1 a N [I ] vetor das correntes Ii , com i de 1 a N [Z ] Matriz de impedância – ordem N x N
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Matriz de Admitância [Y]
5 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
Relaciona as correntes com as tensões nos acessos da rede
Em forma matricial
[I ] vetor das correntes Ii , com i de 1 a N [V ] vetor das tensões Vi , com i de 1 a N [Y] Matriz de admitância – ordem N x N
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Determinação da Matriz de Impedância
6 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
Como
Tem-se
Logo
Medida de Zij
◦ Porta j é alimentada por uma fonte de corrente Ij ◦ Portas k, com k=j, terminadas em circuito aberto Ik=0 ◦ Mede-se Vi
𝑉𝑖 = 𝑍𝑖1𝐼1 + 𝑍𝑖2𝐼2+…+𝑍𝑖𝑗𝐼𝑗+…+ 𝑍𝑖𝑁𝐼𝑁
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Determinação da Matriz de Admitância
7 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
Como
Tem-se
Logo
Medida de Yij
◦ Porta j é alimentada por uma fonte de tensão Vj ◦ Portas k, com k=j, terminadas em curto-circuito Vk=0 ◦ Mede-se Vi
𝐼𝑖 = 𝑌𝑖1𝑉1 + 𝑌𝑖2𝑉2+…+𝑌𝑖𝑗𝑉𝑗+…+ 𝑌𝑖𝑁𝑉𝑁
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Matriz de Espalhamento
8
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Medidas em micro-ondas
Matriz de Espalhamento [S] ◦ Scattering Matrix
Denominações usuais
◦ Matriz S
◦ Parâmetros S
◦ Parâmetros de Espalhamento
Relaciona ◦ ondas de tensão refletidas nas portas da rede com ◦ ondas de tensão incidentes nas portas da redes
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Matriz de espalhamento [S]
10 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
Relaciona ondas de tensão incidente e refletidas nas portas
Em forma matricial
[V - ] vetor das tensões refletidas V -i , com i de 1 a N [V + ] vetor das tensões incidentes V +i , com i de 1 a N [S ] Matriz de Espalhamento – ordem N x N
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Determinação da Matriz de Espalhamento
11 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
Como
Tem-se
Logo
Medida de Sij
◦ Porta j é alimentada por uma fonte de tensão Vj
◦ Portas k, com k=j, terminadas com cargas casadas Vk-= 0
𝑉𝑖− = 𝑆𝑖1𝑉1
+ + 𝑆𝑖2𝑉2++…+𝑆𝑖𝑗𝑉𝑗
++…+ 𝑆𝑖𝑁𝑉𝑁+
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Redes com dois acessos Representação como quadripolo
Porta 1 Porta2
V1
I1
V2
I2
12 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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2
1
2221
1211
2
1
a
a.
SS
SS
b
b
Porta 1 Porta2
b1
a1
b2
a2
Matriz “S”
• a1 e a2: ondas de potência incidentes nas portas 1 e 2
• b1 e b2: ondas de potência refletidas nas portas 1 e 2
13 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Ondas de potência
• Portas 1 e 2 terminadas em Z0
Z0 → Impedância de referência, real
Micro-ondas Z0 = 50
Impedância interna do gerador: ZG = Z0
Impedância de carga: ZL = Z0
01
0
11
0 1
0
11
Z - IZ
V
2
1 = b
Z + IZ
V
2
1 = a
0 2
0
22
0 2
0
22
Z - IZ
V
2
1 = b
Z + IZ
V
2
1 = a
14 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
Unidade de a1, a2, b1, b2: raiz quadrada de potência
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S11 – medida e conceito
• Coeficiente de reflexão
se tensão da porta 1
• Associado à Z1 impedância de entrada, com
a saída terminada por 50
a1 a2
Porta 1 Porta 2
b1 b2
~ ZL= 50
ZG= 50
1
111
a
bS
01
0111
ZZ
ZZS
15 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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S11 - exemplos
• Z1 = 50 S11 = 0 • Z1 = 0 S11 = 1180 • Z1 S11 = 10
• Re{Z1} positiva 0 mod(S11) 1
• Z1 indutiva 0 fase(S11) 180
• Z1 capacitiva 180 fase(S11) 360
50 ΩZ
50 ΩZ
ZZ
ZZS
1
1
01
0111
16 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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S22 - medida e conceito
• Coeficientes de
reflexão da porta 2
• Associado à Z2
impedância de saída
2
222
a
bS
02
0222
ZZ
ZZS
a1 a2
Porta 1 Porta2
b1 b2
ZL= 50 ~
ZG= 50
17 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Representação gráfica de S11 e S22 Forma retangular módulo (dB) e fase x frequência
11dB11S20.logS
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 -35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
simulado
medido
|S11| (d
B)
Frequência (GHz)
18 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
|S11|dB de um amplificador de banda ultra-larga
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Forma polar Carta de Smith
19 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
S11 e S22 de um transistor MESFET de 1 a 8 GHz
Representação gráfica de S11 e S22
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S21 – medida e conceito
• Coeficiente de
transmissão direto
• Ganho direto de
potência com entrada e saída em 50
1
221
a
bS
@50ΩGS2
21
a1 a2
Porta 1 Porta2
b1 b2
~ ZL= 50
ZG= 50
20 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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S12 – medida e conceito
• Coeficiente de
transmissão reverso
• Ganho reverso
de potência em 50
2
112
a
bS
@50ΩGS R2
12
a1 a2
Porta 1 Porta2
b1 b2
ZL= 50 ~
ZG= 50
21 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Representação gráfica de S21 e S12
Forma retangular módulo (dB) e fase x frequência
Ganho(dB)S20.logS 21dB21
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 -16
-12
-8
-4
0
4
8
simulado medido
Ganho (
dB
)
Frequência (GHz)
22 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
Ganho de um amplificador de banda ultra-larga
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Representação gráfica de S21 e S12 Forma polar diagrama polar
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S21 e S12 de um transistor MESFET de 1 a 8 GHz
S21
S12
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Tabelas de parâmetros S
Extraído do Data Sheet do transistorATF-36077, da HP
24 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Técnicas de medida
25 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Medida de parâmetros “S”
Analisador Vetorial de Redes
Vector Network Analyzer - VNA
Módulo e fase de S11, S21, S12 e S22
Analisadores de Rede de Micro-ondas
o Fabricantes
Keysight (HP), Anritsu, Wiltron, Rhode Schwarz
o Exemplo
HP 8722 - 50 MHz a 40 GHz
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Analisador de redes HP 8712
27 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Analisador de redes
Gerador
ZG = 50 DUT
a1 b1 a2 b2
Carga
ZL = 50
Receptor
Tela
Porta 1 Porta 2
28 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Acessórios de medida da matriz “S”
Cabos coaxiais
Transições de micro-ondas
◦ Adaptação de diferentes tipos de
conectores
◦ Tipo N, SMA, APC3.5, APC7
Kits de calibração
29 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Arranjo de medidas
Analisador
de redes
Kit de
calibração
Cabos e
conectores
Dispositivo
em teste
30 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Calibração da medida
Corrigir erros do analisador vetorial de
redes
Deslocar os planos de medida para o
plano das portas do dispositivo em teste
Descontar perdas e rotação de fase
◦ Cabos coaxiais
◦ conectores e transições
31 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Planos de calibração
Analisador
de redes
Planos de
calibração
Cabos e
conectores
Dispositivo
em teste
Portas 1 e 2
do analisador
de redes
32 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Kit de calibração
Terminações padrão
◦ Cargas de 50
◦ Curto-circuitos
◦ Circuitos em aberto
◦ Linha direta
Mídia eletrônica ◦ modelos das terminações
33 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
Cargas coaxiais
de 50
Caixa com kit de
calibração coaxial
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Procedimento de calibração
Ajuste do gerador
◦ Faixa de frequência
◦ Potência de saída
◦ Número de pontos
Escolha do Kit de calibração
◦ Tipo de conector N, APC7, APC3.5
◦ Kit do microprovador
34 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Rotina interna de calibração
Calibração da reflexão
◦ S11 e S22 ◦ Cargas de 50
◦ Curto-circuitos
◦ Circuitos em aberto
Calibração da transmissão
◦ S21 e S12 ◦ Linha direta
Calibração da isolação
◦ Portas 1 e 2 terminadas em 50
35 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Conclusão da calibração
Salvar calibração
◦ Disco interno do equipamento
◦ Disquete externo
Verificar a calibração
◦ Medida dos padrões de calibração
50
curto-circuito
circuito em aberto
linha direta
◦ Refazer calibração, se necessário
36 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Procedimento de medida
Já existe calibração?
Fazer calibração Carregar calibração
Realizar medida
Salvar dados medidos
Ajustar o gerador
Arranjo de medida
NÃO SIM
37 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Medidas “on Chip”
38 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Medidas da matriz “S” “on chip”
Equipamentos gerais
◦ Analisador de redes
◦ Cabos coaxiais
◦ Conectores e transições
Equipamentos específicos
◦ Estação microprovodora de microondas
◦ Pontas de prova de microondas
◦ Pontas de prova DC
◦ Kit de calibração para medidas “on chip”
39 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Sistema de medidas “on chip”
Analisador de redes
Estação microprovadora
Cabos e conectores
40 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Estações microprovadoras de micro-ondas
• Fabricante CASCADE Microtech
• fixação do chip por vácuo
• pontas de prova DC e RF
• posicionamento micrométrico
• microscópio óptico
41 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Pontas de prova de microondas
• Pontas DC
– tensões de alimentação
– tipo “agulha”
– tipo coaxial
• Pontas de microondas
– sinais de entrada e saída
– tipo coplanar
– tipo coaxial
42 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Pontas de prova de micro-ondas
Tipos
◦ SG signal-ground
◦ GS ground-signal
◦ GSG ground-signal-ground
Pitch
◦ distância entre centro de contatos adjacentes
◦ 100 m, 150 m, 200 m, 250 m . . .
Compatível com o “pad de R” do chip
S G G S
G S G
43 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Pads de RF
• Pontas de prova G-S-G
• pitch 200 G
S
G
44 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Pads de RF
• Pontas de
prova G-S
• Pontas de
prova S-G
G S
S
G
45 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Exemplo de regras de leiaute dos pads
• Dimensão do “pad”
– mínimo recomendado 100 m x 100 m
• “Pitch”
– Mínimo recomendado 150 m
150 m 150 m
100 m
100 m
46 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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• Distância entre fileiras de “pads”
– Mínimo recomendado 200 m
200 m
200 m
Exemplo de regras de leiaute dos pads
47 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Calibração “on chip”
• Lâmina de calibração
– Alumina
– Terminações padrão
• Cargas de 50
• Curto circuito
• Linha direta
– Pontas
• S-G
• G-S
• G-S-G
48 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017
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Procedimento de medida “on chip”
Fazer calibração
“on chip”
Carregar calibração
“on chip”
Realizar medida
Salvar dados medidos
Arranjo de medida
NÃO SIM
Ajustar o gerador
Já existe calibração?
49 PSI3483 - Ondas Eletromagnéticas em Meios Guiados Prof.ª Fatima Salete Correra, Introdução - v.2017